近日，麻省理工學(xué)院的機(jī)器人船隊(duì)已經(jīng)更新了“變形”的新功能，通過自主斷開和重新組裝成各種配置，在阿姆斯特丹的許多運(yùn)河中形成浮動(dòng)結(jié)構(gòu)。
自主駕駛船 - 配備傳感器，推進(jìn)器，微控制器，GPS模塊，攝像機(jī)和其他硬件的矩形船體，作為麻省理工學(xué)院和阿姆斯特丹高級(jí)大都市解決方案研究所（AMS研究所）正在進(jìn)行的“Roboat”項(xiàng)目的一部分。該項(xiàng)目由麻省理工學(xué)院教授Carlo Ratti，Daniela Rus，Dennis Frenchman和Andrew Whittle領(lǐng)導(dǎo)。在未來，阿姆斯特丹希望這艘渡船能夠巡航其165條蜿蜒的運(yùn)河，運(yùn)送貨物和人員，收集垃圾或自行裝配到“彈出式”平臺(tái)，以幫助緩解城市繁忙航道的擁堵。
2016年，麻省理工學(xué)院的研究人員測(cè)試了一種可以沿著運(yùn)河中的預(yù)編程路徑向前，向后和橫向移動(dòng)的船形原型。去年，研究人員設(shè)計(jì)了低成本，3D打印，四分之一規(guī)模版本的船，這些船更加高效靈活，并配備了先進(jìn)的軌跡跟蹤算法。6月，他們創(chuàng)造了一種自主鎖定機(jī)制，讓船只相互瞄準(zhǔn)并相互扣合，如果失敗則繼續(xù)嘗試。
在上周舉行的IEEE多機(jī)器人和多智能體系統(tǒng)國際研討會(huì)上發(fā)表的一篇新論文中，研究人員描述了一種算法，可以使直升機(jī)盡可能有效地平滑地重塑自己。該算法處理所有規(guī)劃和跟蹤，使得一組roboat單元能夠在一組配置中彼此解鎖，行進(jìn)無碰撞路徑，并重新連接到新設(shè)置配置上的適當(dāng)位置。
在MIT水池和計(jì)算機(jī)模擬中的演示中，鏈接的單元組將自己從直線或正方形重新排列成其他配置，例如矩形和“L”形狀。實(shí)驗(yàn)性轉(zhuǎn)換只需要幾分鐘。更復(fù)雜的變形可能需要更長的時(shí)間，這取決于移動(dòng)單元的數(shù)量 - 可能是幾十個(gè) - 以及兩個(gè)形狀之間的差異。
“我們已經(jīng)讓現(xiàn)在的船只與其他船只建立和斷開聯(lián)系，希望將阿姆斯特丹街頭的活動(dòng)轉(zhuǎn)移到水面上，”計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）和安德魯?shù)闹魅瘟_斯稱，“如果我們需要將材料或人員從運(yùn)河的一側(cè)送到另一側(cè)，那么一組船可以組合在一起形成線性形狀作為彈出式平臺(tái)。或者，我們可以為花卉或食品市場(chǎng)創(chuàng)建更廣泛的平臺(tái)。”
無碰撞軌跡
對(duì)于他們的工作，研究人員不得不通過自主規(guī)劃，跟蹤和連接roboat組來應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。例如，賦予每個(gè)單元獨(dú)特的能力，如何相互定位，就如何分裂和變換達(dá)成一致，然后自由行動(dòng)，需要復(fù)雜的通信和控制技術(shù)，這些技術(shù)可能會(huì)使運(yùn)動(dòng)變得低效和緩慢。
為了實(shí)現(xiàn)更順暢的操作，研究人員開發(fā)了兩種類型的單位：“協(xié)調(diào)員”和“工人”。一個(gè)或多個(gè)”工人”連接到一個(gè)協(xié)調(diào)員以形成單個(gè)實(shí)體，稱為“連接船舶平臺(tái)”（CVP）。所有“協(xié)調(diào)員”和“工人”單位都有四個(gè)螺旋槳，一個(gè)無線微控制器，以及幾個(gè)自主鎖定機(jī)制和傳感系統(tǒng)，使它們能夠連接在一起。
然而，協(xié)調(diào)員還配備了導(dǎo)航GPS和慣性測(cè)量單元（IMU），它可以計(jì)算定位，姿勢(shì)和速度。”工人”只有能夠幫助CVP沿著路徑轉(zhuǎn)向的執(zhí)行器。每個(gè)”協(xié)調(diào)員”都知道并可以與所有連接的”工人”進(jìn)行無線通信。結(jié)構(gòu)包括多個(gè)CVP，并且各個(gè)CVP可以彼此鎖定以形成更大的實(shí)體。
在變形過程中，結(jié)構(gòu)中所有連接的CVP都會(huì)比較其初始形狀和新形狀之間的幾何差異。然后，每個(gè)CVP確定它是否保持在同一位置以及是否需要移動(dòng)。然后為每個(gè)移動(dòng)的CVP分配一個(gè)時(shí)間來拆卸和新形狀的新位置。
每個(gè)CVP使用自定義軌跡規(guī)劃技術(shù)來計(jì)算在不中斷的情況下到達(dá)目標(biāo)位置的方式，同時(shí)優(yōu)化速度路線。為此，每個(gè)CVP預(yù)先計(jì)算移動(dòng)CVP周圍的所有無碰撞區(qū)域，使其旋轉(zhuǎn)并遠(yuǎn)離靜止CVP。
在預(yù)先計(jì)算了這些無碰撞區(qū)域之后，CVP然后找到到達(dá)其最終目的地的最短軌跡，這仍然使其不會(huì)撞擊固定單元。值得注意的是，優(yōu)化技術(shù)用于使整個(gè)軌跡規(guī)劃過程非常有效，預(yù)計(jì)算只需要100毫秒就可以找到并改進(jìn)安全路徑。然后，“協(xié)調(diào)員”使用來自GPS和IMU的數(shù)據(jù)估計(jì)其質(zhì)量中心的姿態(tài)和速度，并無線控制每個(gè)單元的所有螺旋槳并移動(dòng)到目標(biāo)位置。
在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員在幾種不同的變形場(chǎng)景中測(cè)試了三個(gè)單元的CVP，包括一個(gè)”協(xié)調(diào)員”和兩個(gè)“工人”。每個(gè)場(chǎng)景都涉及一個(gè)CVP從初始形狀解鎖并移動(dòng)并重新連接到第二個(gè)CVP周圍的目標(biāo)點(diǎn)。
例如，三個(gè)CVP從連接的直線重新排列 - 它們?cè)趦蓚?cè)鎖定在一起 - 成為前后連接的直線，以及“L”。在計(jì)算機(jī)模擬中，最多12個(gè)roboat單元例如，將矩形重新排列成正方形或從實(shí)心正方形重新排列成Z形。
放大
實(shí)驗(yàn)是在四分之一大小的roboat上進(jìn)行的，這些roboat的長度約為1米，寬度為半米。但研究人員認(rèn)為，他們的軌跡規(guī)劃算法在控制全尺寸單位時(shí)可以很好地?cái)U(kuò)展，這些單位的長度約為4米，寬度為2米。
在大約一年的時(shí)間里，研究人員計(jì)劃在阿姆斯特丹市中心的NEMO科學(xué)博物館和正在開發(fā)的地區(qū)之間的60米長的運(yùn)河中使用這些渡船形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的“橋”。這個(gè)名為RoundAround的項(xiàng)目將使用直升機(jī)在整個(gè)運(yùn)河上連續(xù)航行，在碼頭上接送乘客，當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)路上的任何東西時(shí)停止或重新前進(jìn)。目前，在水道周圍走動(dòng)大約需要10分鐘，但該橋可以將時(shí)間縮短到大約兩分鐘。
“這將是世界上第一座由自主船隊(duì)組成的“橋”，”拉蒂說。“普通的橋梁將是非常昂貴的，因?yàn)槟阌写煌ㄟ^，所以你需要建座非常高的橋梁。但現(xiàn)在我們可以連接運(yùn)河的兩側(cè)通過使用自主船，使得它們成為漂浮在水面上的動(dòng)態(tài)、反應(yīng)靈敏的基礎(chǔ)設(shè)施。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員正在進(jìn)一步完善Robaot，以確保它們能夠安全地運(yùn)人，并且能夠適應(yīng)各種天氣條件，例如大雨。他們還確保船可以有效地連接到運(yùn)河的兩側(cè)，這可能在結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)上有很大差異。
